大型风电机组整机测试用全工况载荷施加技术及装备研究

　　 0 引言
　　风能是目前最具规模化开发的可再生能源。近年来，国内外风电装机量大幅攀升，与此同时，风力发电技术也突飞猛进，各种技术流派的新型风电机组大量出现[1-2]。对于新型样机，在实验车间内搭建测试平台，全面模拟其实际工作时所受载荷，并进行严格的性能考核测试，不仅能发现潜在的故障隐患，还可根据实测数据优化机组设计参数[3-4]。因此，该阶段的测试工作是新型风电机组尤其是海上风电机组开发过程中的重要环节。
　　风电机组的工作载荷来自风轮，由于大型风电机组载荷情况复杂，且风轮尺寸巨大，如何在实验车间内有效模拟风轮带给机舱的各种载荷是样机测试领域的主要难题。目前，多数新型风电机组的厂内测试仅施加用于驱动发电机的扭矩载荷，忽略了实际工作过程中风轮带给机组的推力、弯矩等非扭矩载荷。而上述非扭矩载荷对机组的性能与寿命影响重大。因此，本文针对全工况载荷施加技术展开研究，并提出一种含非扭矩载荷成分的新型载荷施加装备。
　　1 总体技术方案
　　风电机组在工作过程中通过风轮吸收来自风中的能量，并将风载荷传递至机舱，如图1 所示。

图1 机舱载荷示意图

　　按图1 坐标系，可将机舱输入轴A 点所受载荷分解为6 个分量：Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。其中Mx 是用于驱动电机发电的扭矩载荷，其余5 个分量统称为非扭矩载荷。
　　根据以上分析，本文采用扭矩载荷与非扭矩载荷先分别施加再最终耦合的总体技术方案。首先采用变频电机与变速齿轮箱组合提供扭矩载荷Mx，再利用沿不同方向布置的多组液压缸协同加载提供其余5 个载荷分量，最后通过载荷耦合装置将上述两类载荷最终耦合并传递至被测机组。
　　实验装置的总体结构如图2 所示。

图2 总体方案简图

　　其中：A 为被测风电机组；B 为扭矩施加装置（提供扭矩Mx）；C 为非扭矩载荷施加装置；D 为载荷耦合装置。
　　2 扭矩载荷施加
　　扭矩载荷Mx 的模拟采用变频电机与减速齿轮箱组合予以实现。为降低能耗测试实验装置采用电闭环模式，驱动电机拖动被测机组发电，产生的电能再回馈至驱动端。
　　扭矩载荷施加装置除提供恒定扭矩载荷外，还需具备动态载荷模拟能力。通过对驱动侧变频器及被测机组的联合控制，有效模拟各种湍流、阵风带给机组的瞬变载荷。
　　驱动电机、变频器以及变压器是构成扭矩载荷施加装置的核心电气元件，这三者间的电气参数匹配性直接决定整套装置的性能水平。为此，需要进行多轮联合仿真，综合考虑各方技术难度与成本因素，选取最优参数组合。电气拓扑图如图3 所示。

图3 电气系统拓扑图

　　此外，由于大型风电机组驱动功率大，且受叶尖线速度限制，风轮转速低，导致驱动扭矩Mx 数值巨大。因此，驱动电机级数与齿轮箱的传动比亦需综合考虑，选取最优组合，以降低加工难度与制造成本。